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Engineering

रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस डिवाइस के निर्माण के लिए आयन-एक्सचेंज झिल्ली

Published: July 20, 2021 doi: 10.3791/62309
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Mechanical Engineering, Energy Engineering Lab, Sogang University

Summary

हम बिजली उत्पादन के लिए एक आयन-एक्सचेंज झिल्ली (एईएम) का उपयोग करके रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस डिवाइस के निर्माण को प्रदर्शित करते हैं।

Abstract

रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस (रेड) सीईसी-एक्सचेंज झिल्ली (सीईएम) और एनियन-एक्सचेंज झिल्ली (एईएम) का उपयोग करके पानी में दो अलग-अलग नमक सांद्रता को मिलाकर बिजली उत्पन्न करने का एक प्रभावी तरीका है। लाल स्टैक ईक-एक्सचेंज झिल्ली और एनियन-एक्सचेंज झिल्ली की एक वैकल्पिक व्यवस्था से बना है। लाल डिवाइस भविष्य के ऊर्जा संकट के लिए सार्वभौमिक मांग को पूरा करने के लिए एक संभावित उंमीदवार के रूप में कार्य करता है । यहां, इस लेख में, हम बिजली उत्पादन के लिए प्रयोगशाला-पैमाने पर सीईएम और एईएम का उपयोग करके रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस डिवाइस बनाने के लिए एक प्रक्रिया प्रदर्शित करते हैं। आयन-विनिमय झिल्ली का सक्रिय क्षेत्र 49 सेमी2है। इस लेख में, हम झिल्ली को संश्लेषित करने के लिए एक कदम-दर-कदम प्रक्रिया प्रदान करते हैं, जिसके बाद स्टैक की असेंबली और पावर मेजरमेंट होता है। माप शर्तों और शुद्ध बिजली उत्पादन गणना भी समझाया गया है । इसके अलावा, हम उन मौलिक मापदंडों का वर्णन करते हैं जिन्हें विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए ध्यान में रखा जाता है। हम एक सैद्धांतिक पैरामीटर भी प्रदान करते हैं जो झिल्ली और फ़ीड समाधान से संबंधित समग्र सेल प्रदर्शन को प्रभावित करता है। संक्षेप में, यह प्रयोग एक ही मंच पर लाल कोशिकाओं को इकट्ठा करने और मापने का तरीका बताता है। इसमें सीईएम और एईएम झिल्ली का उपयोग करके लाल स्टैक के शुद्ध बिजली उत्पादन का आकलन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कार्य सिद्धांत और गणना भी शामिल हैं।

Introduction

प्राकृतिक संसाधनों से ऊर्जा संचयन एक किफायती तरीका है जो पर्यावरण के अनुकूल है, जिससे हमारे ग्रह को हरा और स्वच्छ बना दिया जाता है । ऊर्जा निकालने के लिए अब तक कई प्रक्रियाओं का प्रस्ताव किया गया है, लेकिन रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस (रेड) में ऊर्जा संकट के मुद्दे को दूर करने की एक विशाल क्षमता है1। रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस से बिजली उत्पादन वैश्विक ऊर्जा के विकार्बनीकरण के लिए एक तकनीकी सफलता है। जैसा कि नाम से पता चलता है, लाल एक रिवर्स प्रक्रिया है, जहां वैकल्पिक सेल डिब्बे उच्च केंद्रित नमक समाधान और कम केंद्रित नमक समाधान2से भरा हुआ है। डिब्बे के अंत में इलेक्ट्रोड से एकत्र आयन-विनिमय झिल्ली में नमक एकाग्रता अंतर से उत्पन्न रासायनिक क्षमता।

वर्ष 2000 के बाद से, कई शोध लेख प्रकाशित किए गए हैं, जो सैद्धांतिक रूप से और प्रयोगात्मक रूप से3, 4लाल रंग में अंतर्दृष्टि प्रदान करतेहैं। तनाव की स्थिति में ऑपरेशन की स्थिति और विश्वसनीयता अध्ययन पर व्यवस्थित अध्ययन ने स्टैक आर्किटेक्चर में सुधार किया और समग्र कोशिका प्रदर्शन को बढ़ाया। कई शोध समूहों ने लाल के हाइब्रिड आवेदन की ओर अपना ध्यान हटा दिया है, जैसे विलवणीकरण प्रक्रिया5के साथ लाल, सौर ऊर्जा के साथलाल,रिवर्स ऑस्मोसिस (आरओ) प्रक्रिया5के साथ लाल, माइक्रोबियल ईंधन सेल7के साथ लाल, और रेडिएटिव कूलिंग प्रक्रिया8के साथ लाल। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, ऊर्जा और स्वच्छ पानी की समस्या को हल करने के लिए लाल के हाइब्रिड एप्लिकेशन को लागू करने में काफी गुंजाइश है।

रेड सेल के प्रदर्शन और झिल्ली की आयन-विनिमय क्षमता को बढ़ाने के लिए कई तरीके अपनाए गए हैं। सल्फोनिक एसिड समूह (-एसओ3एच), फॉस्फोनिक एसिड समूह (-पीओ3एच2),और कार्बोक्सिलिक एसिड समूह (-सीओओएच) का उपयोग करके विभिन्न प्रकार के आयनों के साथ आयन-विनिमय झिल्ली को सिलाई करना झिल्ली के भौतिक रसायन गुणों को बदलने के प्रभावी तरीकों में से एक है। एनियन-एक्सचेंज झिल्ली अमोनियम समूहों Equation 1 ()9के अनुरूप हैं। झिल्ली की यांत्रिक शक्ति को बिगड़ने के बिना एईएम और सीईएम की उच्च आयनिक चालकता डिवाइस आवेदन के लिए एक उपयुक्त झिल्ली का चयन करने के लिए आवश्यक पैरामीटर है। तनाव की स्थिति में मजबूत झिल्ली झिल्ली को यांत्रिक स्थिरता प्रदान करती है और डिवाइस के स्थायित्व को बढ़ाती है। यहां, उच्च प्रदर्शन वाले मुक्त-खड़े सल्फोनेटेड पॉली (ईथर ईथर कीटोन) (स्पेक) का एक अनूठा संयोजन एफएए-3 के साथ आयन-एक्सचेंज झिल्ली के रूप में आयन-एक्सचेंज झिल्ली का उपयोग लाल आवेदन में किया जाता है। चित्रा 1 प्रायोगिक प्रक्रिया के प्रवाह चार्ट को दिखाता है।

Figure 1
चित्रा 1:प्रक्रिया चार्ट। प्रवाह चार्ट आयन-विनिमय झिल्ली की तैयारी के लिए अपनाई गई प्रक्रिया प्रस्तुत करता है जिसके बाद रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस की माप के लिए प्रक्रिया होती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Protocol

1. प्रायोगिक आवश्यकता

  1. एईएम तैयार करने के लिए सीईएम और एफएए-3 तैयार करने के लिए आयन-एक्सचेंज आयनोमर पॉलीमर, ई-550 सल्फोनेटेड-पीप पॉलिमर फाइबर खरीदें। सुनिश्चित करें कि सभी आयनोमर पॉलिमर उपयोग से पहले एक साफ, शुष्क और धूल मुक्त वातावरण में संग्रहीत किए जाते हैं।
  2. सजातीय आयनोमर समाधान तैयार करने के लिए आणविक वजन 99.13 ग्राम मोल -1 और एन, एन-डिमेथाइलासेटामाइड के साथ आणविक वजन87.12 के साथ एन-मिथाइलासेटामाइड सहित उच्च शुद्धता (>99%) सॉल्वैंट्स का उपयोग करें। सुनिश्चित करें कि सभी विश्लेषणात्मक ग्रेड रसायनों और सॉल्वैंट्स का उपयोग झिल्ली तैयारी के लिए किया जाता है जैसा कि किसी और शुद्धि के प्राप्त होता है।
  3. झिल्ली की सक्रियण प्रक्रिया के बाद, बेहतर प्रदर्शन के लिए तुरंत 0.5 एम एनएसीएल समाधान में सभी झिल्ली विसर्जित कर दें। दोनों झिल्ली के सक्रियण के बाद, सुखाने की आवश्यकता नहीं है। प्रतिरोधकता के साथ पानी 18.2 MΩ कमरे के तापमान पर झिल्ली के संश्लेषण में इस्तेमाल किया गया था।
  4. सूखी झिल्ली का उपयोग करके झिल्ली गुणों की विशेषता। लक्षण वर्णन तकनीकों और आयन-विनिमय क्षमता, आयन-चालकता, मोटाई, थर्मल विश्लेषण और सतह आकृति विज्ञान जैसे उनके शारीरिक गुणों का विस्तृत विवरण साहित्य10, 11में प्रस्तुत कियाजाताहै।
  5. सीईएम और एईएम के लिए झिल्ली को 49 सेमी2के सक्रिय क्षेत्र के साथ लाल स्टैक आकार में आकार देने के लिए कटर का उपयोग करें, जैसा कि चित्र 2में प्रदर्शित किया गया है ।
  6. रेड स्टैक फैब्रिकेशन के लिए, स्पेसर और गैसकेट द्वारा अलग किए गए एक वैकल्पिक सीईएम और एईएम व्यवस्था करें; वर्किंग रेड स्टैक की एक असली तस्वीर चित्रा 3 एमें प्रस्तुत किया गया है , और प्रत्येक परत के अपने योजनाबद्ध आरेख चित्र 3bमें सचित्र है .
    1. सबसे पहले, पीएमएमए प्लेट को इलेक्ट्रोड का सामना करना पड़ रहा है; अब, रबर गैसकेट और स्पेसर को उस पर रखें, फिर सीईएम रखें। उसके बाद, सीईएम पर स्पेसर के साथ सिलिकॉन गैसकेट रखें फिर उस पर एईएम रखें। इसी तरह, एईएम के शीर्ष पर सिलिकॉन गैसकेट और स्पेसर जोड़ें और उसके बाद सीईएम। अब, अंत पीएमएमए प्लेट, रबर गैसकेट, और स्पेसर पेंच और नट बोल्ट का उपयोग कर कस के साथ पीछा किया जगह है ।
  7. लाल स्टैक कोडांतरण के बाद, उच्च एकाग्रता (एचसी), कम एकाग्रता (एलसी) के मुक्त प्रवाह की जांच करें, और समाधान को एक-एक करके कुल्ला करें। माप से पहले किसी भी क्रॉसफ्लो या रिसाव को समाप्त करना आवश्यक है।
  8. वर्तमान और वोल्टेज माप से पहले, नमक समाधान और दबाव गेज पढ़ने के प्रवाह दर की निगरानी करें और सुनिश्चित करें कि यह स्थिर हो जाता है। माप शुरू होने से पहले सभी कनेक्शन सटीक जगह पर हैं सुनिश्चित करें। माप चल रहा है, जबकि लाल ढेर और उसके कनेक्टिंग ट्यूबों को छूने से बचें।
    नोट: एचसी और एलसी समाधान अपने डिब्बों से प्रवाह एक पेरिस्टाल्टिक पंप, दबाव गेज, और लाल ढेर के माध्यम से डिब्बे को त्यागने के लिए क्रमशः ।
  9. वर्तमान और वोल्टेज की माप के लिए गैल्वेनोस्टेट विधि का उपयोग करें, मगरमच्छ क्लिप के माध्यम से लाल स्टैक से जुड़े स्रोत मीटर उपकरण।

Figure 2
चित्र 2:रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस के निर्माण के लिए तैयार झिल्ली, गैसकेट और स्पेसर का आकार और आकार। (ए)बाहरी सिलिकॉन गैसकेट,(ख)बाहरी स्पेसर और इनर स्पेसर,(ग)आंतरिक सिलिकॉन गैसकेट,(घ)आयन-विनिमय झिल्ली, और(एफ)गैसकेट और झिल्ली असेंबली। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्र 3:रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक। (ए)कनेक्टिंग ट्यूबों केसाथ रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक का सेटअप, और पीएमएमए एंडप्लेट, इलेक्ट्रोड, गैसकेट, स्पेसर, सीईएम और एईएम सहित विभिन्न परतों का योजनाबद्ध चित्रण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

2. आयन-एक्सचेंज झिल्ली तैयारी

नोट: अग्रदूत सामग्री की मात्रा 18 सेमी व्यास और ~ 50 माइक्रोन मोटाई के साथ एक झिल्ली प्राप्त करने के लिए अनुकूलित किया गया था।

  1. सेन-एक्सचेंज झिल्ली
    1. 250 एमएल राउंड बॉटम फ्लास्क में सल्फोनेटेड-तिरछी फाइबर का 5 डब्ल्यूटी% लें और डिमेथिल्लासेटामाइड (डीएमएसी) में फाइबर को आणविक वजन वाले सॉल्वेंट के रूप में भंग करें 87.12 ग्राम मोल-1। फ्लास्क को 10 मिनट तक हिलाएं ताकि सभी आयनोम पॉलिमर बस जाएं।
    2. फ्लास्क में एक चुंबकीय पट्टी रखें और फिर मिश्रण को सिलिकॉन तेल स्नान में रखें, इसके बाद एक समरूप समाधान प्राप्त करने के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर 24 घंटे के लिए 500 आरपीएम पर जोरदार रूप से सरगर्मी करें।
    3. 0.45 माइक्रोन पोर आकार पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई) फिल्टर के माध्यम से सल्फोनेटेड-झांकना समाधान को फ़िल्टर करें।
    4. उसके बाद, फ़िल्टर किए गए समाधान को 18 सेमी व्यास के साथ एक गोलाकार ग्लास डिश पर डालें। सुनिश्चित करें कि ओवन में पेट्री डिश रखने से पहले एक एयर ब्लोअर का उपयोग करके सभी हवा के बुलबुले हटा दिए जाएं।
    5. 24 घंटे के लिए 90 डिग्री सेल्सियस पर समाधान को सुखाने के लिए पेट्री डिश को ओवन के अंदर रखें, जिसके परिणामस्वरूप ~ 50 माइक्रोन मोटी मुक्त-खड़ी झिल्ली होती है। फ्री-स्टैंडिंग झिल्ली निकालने के लिए ऐसा करें: पेट्री डिश से झिल्ली को छीलने के लिए, पेट्री डिश को गर्म आसवन पानी (~ 60 डिग्री सेल्सियस) के साथ भरें और इसे 10 मिनट अछूता रहने दें। फ्री-स्टैंडिंग झिल्ली अपने आप बाहर आ जाएगी।
    6. झिल्ली सक्रियण के लिए, तैयार मुक्त खड़े झिल्ली को 1 एम सल्फ्यूरिक एसिड (एच2एसओ4)जलीय समाधान, यानी 98.08 ग्राम में विसर्जित करें, 1 एल आसुत पानी में, और 80 डिग्री सेल्सियस पर 2 घंटे के लिए इनक्यूबेट करें।
      नोट: यह कदम विदेशी कणों और सॉल्वैंट्स जैसे अन्य रसायनों को हटाने को सुनिश्चित करेगा जो फाउलिंग से झिल्ली की संभावना को कम करेगा।
    7. कमरे के तापमान पर कम से कम तीन बार, 10 मिनट के लिए आसुत पानी के 1 एल के साथ भिगोने वाली झिल्ली को धोएं।
  2. एनियन-एक्सचेंज झिल्ली
    1. एफएए-3 आयनोमर सॉल्यूशन को भंग करें एन-मिथाइल-2-पाइरोलिडोन (एनएमपी) सॉल्वेंट में 10 wt.% ।
    2. ~ 500 आरपीएम पर 2 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर सरगर्मी के लिए समाधान रखें।
    3. उसके बाद, 100 माइक्रोन पोर आकार के साथ जाल का उपयोग करके समाधान को फ़िल्टर करें।
    4. 18 सेमी के व्यास के साथ एक परिपत्र ग्लास पेट्री डिश में ~ 30 एमएल फ़िल्टर किए गए समाधान डालें। सुनिश्चित करें कि ओवन में ग्लास पेट्री डिश रखने से पहले एक एयर ब्लोअर का उपयोग करके सभी हवा के बुलबुले हटा दिए गए थे। सुखाने की प्रक्रिया 24 घंटे के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर होती है।
    5. एक मुक्त खड़े झिल्ली प्राप्त करने के लिए, ग्लास पेट्री डिश में गर्म आसुत पानी डालें और इसे कम से कम 10 मिनट के लिए रखें। अब झिल्ली को छील कर 2 घंटे के लिए सोडियम हाइड्रोक्साइड (नाओएच) समाधान (एकाग्रता 1M और आणविक वजन 40 ग्राम मोल-1)में रखें।
    6. फिर, झिल्ली को 10 मिनट के लिए 1 एल आसुत पानी के साथ अच्छी तरह से धोएं, कम से कम तीन बार परिवेश की स्थिति में।
      नोट: सभी तैयार झिल्ली लाल ढेर में उपयोग करने से पहले रातोंरात 0.5 एम एनएसीएल समाधान में संग्रहीत किए गए थे। ताकि झिल्ली चालकता में वृद्धि हो और लाल ढेर के माप के दौरान स्थिर उत्पादन प्रदर्शन प्राप्त कर सकते हैं। तालिका 1 झिल्ली गुणों का वर्णन करता है10,11।
विनिर्देश इकाई सीईएम एईएम
सूजन डिग्री % 5±1 1±0.5
चार्ज घनत्व या आयन विनिमय क्षमता मेक्यू/जी 1.8 ~ 1.6
यांत्रिक गुण
(तन्य शक्ति)		 एमपीए >40 40-50
तोड़ने के लिए विस्तार % ~42 30-50
युवा मॉड्यूलस (एमपीए) 1500±100 1000-1500
कमरे के तापमान पर चालकता एस/सेमी ~0.03 ~0.025
परमचयनता % 98-99 94-96
मोटाई माइक्रोन 50±2 50±3
विलायक - डाइमेथिलासेटामाइड (डीएमसी) एन-मिथाइल-2-पाइरोलिडोन (एनएमपी)

तालिका 1: झिल्ली गुण। दोनों आयन-विनिमय और एनियन-एक्सचेंज झिल्ली गुणों का सारांश।

3. रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस का निर्माण

  1. लाल ढेर की विधानसभा
    1. उच्च एकाग्रता (एचसी) के लिए 0.6 एम एनएसीएल और कम एकाग्रता (एलसी) डिब्बों12के लिए 0.01 एम एनएसीएल का उपयोग करके एक मॉडल समाधान तैयार करें।
      नोट: यहां, नदी के पानी को कम एकाग्रता नमक समाधान माना जाता है, और समुद्री जल को उच्च एकाग्रता नमक समाधान के रूप में दर्शाया जाता है।
    2. ट्यूबों से जुड़े एक बड़े कंटेनर में उच्च एकाग्रता और कम एकाग्रता समाधान के 5 एल तैयार करें। लाल स्टैक में उपयोग किए जाने से पहले कम से कम 2 घंटे के लिए परिवेश की स्थितियों (कमरे के तापमान) पर समाधान रखें।
    3. लाल के लिए कुल्ला समाधान के रूप में 500 एमएल पानी में [Fe (CN)6]-3/[Fe(CN)6]-4 और 0.3 एम NaCl के मिश्रण तैयार करें।
    4. पेरिस्टाल्टिक पंप और प्रेशर गेज के माध्यम से रबर ट्यूब का उपयोग करके लाल स्टैक के साथ सभी तीन समाधान कंटेनरों को कनेक्ट करें। कुल्ला समाधान के लिए आकार एल/एस 16 की ट्यूब का उपयोग करें, और एचसी और एलसी समाधान के लिए आकार एल/एस 25 की ट्यूब का उपयोग करें ।
    5. रेड स्टैक बनाने के लिए पॉलीमिथाइल मेथाक्रिलेट (पीएमएमए) से बने दो एंडप्लेट लें। एक डिजिटल रिंच ड्राइवर का उपयोग कर 25 एनएम बल का उपयोग कर 25 एनएम बल का उपयोग कर नट, बोल्ट, और वाशर के साथ आमने-सामने दोनों एंडप्लेट्स को कनेक्ट करें। पीएमएमए की मोटाई 3 सेमी है, और प्रवाह चैनलों का रास्ता एचसी, एलसी के लिए प्लेटों में डिजाइन किया गया था, और एक ड्रिलर2द्वारा समाधान कुल्ला।
    6. धातु टाइटेनियम (टीआई) से बने दो जाल इलेक्ट्रोड को 1:1 अनुपात में इरिडियम (आईआर) और रुथेंनियम (आरयू) के मिश्रण से लेपित करें और पीएमएमए प्लेटों के अंत में रखें। दोनों एंड इलेक्ट्रोड स्रोत मीटर की मगरमच्छ क्लिप के साथ जुड़े हुए हैं।
      नोट: दोनों पीएमएमए एंड प्लेटें जाल इलेक्ट्रोड से लैस हैं, दोनों इलेक्ट्रोड एक वर्ग आकार स्पेसर के साथ स्तरित थे, और पीएमएमए एंडप्लेट अंदर का सामना करना पड़ एक रबर गैसकेट के साथ कवर किया । उसके बाद, सीईएम और एईएम को वैकल्पिक रूप से रखा जाता है, सिलिकॉन गैसकेट और स्पेसर द्वारा अलग किया जाता है,जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।
    7. योजनाबद्ध आरेख चित्र 4 और चित्रा 5में प्रस्तुत सिलिकॉन गैसकेट, बहुलक स्पेसर, और आयन-एक्सचेंज झिल्ली (सीईएम और एईएम) परत को परत से स्थापित करें। इलेक्ट्रोड के सक्रिय क्षेत्र को सुनिश्चित करें, झिल्ली, बाहरी और भीतरी स्पेसर, बाहरी और आंतरिक गैसकेट दोनों 7 x 7 = 49 सेमी2है।
    8. परिस्टाल्टिक पंपों द्वारा संबंधित डिब्बों से उच्च एकाग्रता और कम एकाग्रता वाले समाधान पास करें, जैसा कि चित्र 4में योजनाबद्ध आरेख में प्रदर्शित किया गया है।
    9. पेरिस्टाल्टिक पंपों का उपयोग करके बाहरी इलेक्ट्रोड और झिल्ली के डिब्बों में कुल्ला समाधान को रिसर्चरुलेशन मोड में प्रसारित करें। कुल्ला समाधान के लिए उपयोग की जाने वाली प्रवाह दर 50 एमएल न्यूनतम-1है।
    10. प्रत्येक झिल्ली के प्रदर्शन का विश्लेषण करने के लिए निश्चित प्रवाह दर का उपयोग किया जाता है। इस प्रयोग में, हमने एक पेरिस्टाल्टिक पंप के माध्यम से 100 एमएल न्यूनतम-1 का उपयोग किया है।

Figure 4
चित्र 4:रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस स्टैक के साथ ट्यूब कनेक्शन का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। पेरिस्टाल्टिक पंपों, उच्च एकाग्रता समाधान कंटेनर, कम एकाग्रता समाधान कंटेनर, कुल्ला समाधान कंटेनर, और समाधान कंटेनर को त्यागने के साथ रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस का कनेक्शन। यह एक एनियन एक्सचेंज झिल्ली (एईएम) और आयन एक्सचेंज झिल्ली (सीईएम) दोनों के साथ स्पेसर के संरेखण को भी दिखाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्र 5:रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस सेटअप में विभिन्न परतों का योजनाबद्ध आरेख। (क)रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस के योजनाबद्ध चित्रण का क्रॉस-सेक्शन दृश्य उच्च एकाग्रता समाधान, कम एकाग्रता समाधान और इलेक्ट्रोड कुल्ला समाधान की प्रवाह दिशा को दर्शाता है। इलेक्ट्रोड, बाहरी और भीतरी गैसकेट, बाहरी और भीतरी स्पेसर्स, आयन-एक्सचेंज झिल्ली, और एनियन-एक्सचेंज झिल्ली जैसे अन्य घटक। (ख)स्टैक का फ्रंट व्यू, जो किसी समाधान की प्रवाह दिशा को दर्शाता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

4. रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस का मापन

  1. पावर कैलकुलेशन
    1. उच्च एकाग्रता, कम एकाग्रता, और कुल्ला समाधान, कम से कम 5 मिनट के लिए स्टैक के माध्यम से चलाते हैं। एक स्रोत मीटर द्वारा लाल उत्पादन प्रदर्शन को मापें, जो लाल स्टैक13के दोनों इलेक्ट्रोड से जुड़ा हुआ है।
    2. गैल्वेनोस्ट विधि का उपयोग करके बिजली घनत्व के संदर्भ में लाल स्टैक की वर्तमान वोल्टेज विशेषताओं की गणना करें।
      नोट: गैल्वेनोस्ट विधि में, इलेक्ट्रोड में एक निरंतर धारा लागू की जाती है और परिणामस्वरूप वर्तमान को मापता है। परिणामस्वरूप वर्तमान स्टैक में इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया के कारण उत्पन्न वर्तमान है। माप 0.05 वी स्टेटिक वोल्टेज के तहत एक निश्चित स्वीप वर्तमान के साथ किया जाता है जो 10 एमए है।
    3. लाल स्टैक के लिए अधिकतम बिजली घनत्व निम्नलिखित समीकरण 1 की मदद से मापा जाता है।
      Equation 2(1)
      यहां, पीमैक्स लाल स्टैक (डब्ल्यूएम-2)का अधिकतम शक्ति घनत्व है, यूस्टैक स्टैक में झिल्ली द्वारा उत्पादित वोल्टेज (वी) है, मैंस्टैक रिकॉर्ड किया गया वर्तमान (ए) है, और एकमेम झिल्ली (एम2)का सक्रिय क्षेत्र है।

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Representative Results

शुद्ध बिजली उत्पादन
लाल कोशिका आम तौर पर झिल्ली के माध्यम से विपरीत दिशा में नमक के घोल के लवणता ढाल से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करती है, यानी आयनों का आंदोलन। लाल स्टैक को सही ढंग से इकट्ठा करने के लिए, स्टैक में इलेक्ट्रोड, गैसकेट, झिल्ली और स्पेसर्स सहित सभी परतों को ध्यान से संरेखित करने की आवश्यकता होती है, जैसा कि चित्र 4 और चित्रा 5 में योजनाबद्ध आरेख में प्रदर्शित किया गया है। यदि स्टैक पूरी तरह से गठबंधन नहीं है, तो दो समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं: (i) एचसी और एलसी समाधान क्रॉसफ्लो स्टैक में हो सकता है और स्टैक में समाधान का रिसाव हो सकता है। बिजली उत्पादन का वास्तविक माप शुरू करने से पहले दोनों समस्याओं को खत्म करना आवश्यक है। कुशल बिजली उत्पादन प्राप्त करने के लिए एचसी और एलसी समाधान की प्रवाह दर, पंपिंग प्रेशर और एप्लाइड वोल्टेज सहित अन्य मापदंडों को तय करने की आवश्यकता है। लाल स्टैक की शुद्ध शक्ति का अनुमान लगाने के लिए, किसी को प्राप्त शुद्ध शक्ति10से हाइड्रोडायनामिक बिजली हानि को कम करने की आवश्यकता है। अधिकतम बिजली उत्पादन प्राप्त वोल्टेज और वर्तमान गुणा करके लाल स्टैक से प्राप्त किया जाता है। इसके विपरीत, सक्रिय क्षेत्र और झिल्ली जोड़े की संख्या को स्टैक की वास्तविक शक्ति घनत्व प्राप्त करने के लिए विभाजित किया जाना चाहिए, जैसा कि समीकरण 114,15द्वारा दिया गया है। लाल स्टैक से प्राप्त कुल बिजली को हाइड्रोडायनामिक बिजली हानि या पंप द्वारा उत्पन्न बिजली हानि पंप द्वारा घटाया जाता है और निम्नलिखित समीकरण 2 द्वारा दिया जाता है।

Equation 3(2)

यहां, पी लॉस आंतरिकहानि द्वारा लाल स्टैक में उत्पादित एक हाइड्रोडायनामिक पंपिंग पावर लॉस (डब्ल्यू एम-2)है। पीमैक्स प्रयोग से प्राप्त अधिकतम शक्ति (डब्ल्यूएम-2)है। रेड के लिए सबसे अधिक शुद्ध बिजली उत्पादन 1.2 डब्ल्यू एम-2 है जो वर्मास16द्वारा नदी के पानी और समुद्री जल का उपयोग कर रहा है। बिजली हानि का प्रतिनिधित्व स्टैक पर एचसी और एलसी समाधान के इनलेट और आउटलेट पर दबाव के अंतर के रूप में किया जाता है और दबाव ड्रॉप (एडब्ल्यूपी),प्रवाह दर (क्यू) और पंप दक्षता(ηपंप)17,18द्वारा दिया जाता है।

Equation 4(3)

यहां, क्यूएच और क्यूएल एक उच्च एकाग्रता समाधान और एमएल न्यूनतम-1और पीएच और पीएल में कम एकाग्रता समाधान के प्रवाह दर (एमएल एमआईएम-1) उच्च एकाग्रता पक्ष और पीए में कम एकाग्रता डिब्बे पर दबाव ड्रॉप है। यहां एचसी कंपार्टमेंट के लिए प्रेशर गेज से मापा गया प्रेशर ड्रॉप 11,790 पीए और एलसी कंपार्टमेंट 11,180 पीए है। गणना की गई पंपिंग पावर लॉस (पीलॉस)0.038 डब्ल्यू एम-2है।

सैद्धांतिक पैरामीटर अनुमान
असल में, एक लाल प्रणाली आयन-विनिमय झिल्ली, गैसकेट, पंप, स्पेसर और इलेक्ट्रोड के दो अलग-अलग प्रकारों से बनी है। लाल स्टैक में दबाव में गिरावट सैद्धांतिक रूप से डार्सी-Weisbach समीकरण11,19का उपयोग कर अनुमानित है । एक आदर्श लाल प्रणाली में, दबाव ड्रॉप की गणना के लिए एक अनंत व्यापक समान चैनल में समाधान के एक लैमिनार प्रवाह का उपयोग किया जाता है।

Equation 5(4)

यहां, डीएच (एम) चैनल का हाइड्रोलिक व्यास है, जबकि एक अनंत चौड़े चैनल के लिए हाइड्रोलिक व्यास 2h है। अन्य पैरामीटर पानी की चिपचिपाहट (Pa·s) है, टीआरस निवास समय (एस) है, एल झिल्ली (सेमी) की लंबाई है। लाल स्टैक में, एसईईकेईई के रूप में सीईएम और एफएए-3 के रूप में एईएम का उपयोग किया जाता है, और दोनों झिल्ली के बीच की दूरी बी शब्द द्वारा दी जाती है, जो प्रोफाइल झिल्ली के मामले में हाइड्रोलिक व्यास के मूल्य के सीधे आनुपातिक है, और"एच" इंटरमेम्ब्रान दूरी (एम) है, समीकरण 520द्वारा दिया जाता है।

Equation 6(5)

एक अनंत व्यापक चैनल के लिए, समीकरण 6 से गणना मूल्य आमतौर पर परिमित व्यापक चैनल के मूल्य की तुलना में बहुत कम है। प्राप्त मान परिमाण में कम होते हैं, जो इनलेट की एकरूपता और फ़ीड समाधानों के आउटलेट के कारण होता है । स्पेसर जाल स्पेसर छाया प्रभाव के कारण जलीय नमक समाधानों के प्रवाह को प्रतिबंधित करता है, जिसके परिणामस्वरूप पंपिंग पावर में वृद्धि होती है। सतह से मात्रा(एसएसपी/वी एसपी) स्पेसर जाल के अनुपात से प्राप्त मूल्य को   सूत्र में रखते हुए, ε पोर्सिटी है, तो कोई भी समीकरण 621, 22से स्पेसर से भरे चैनलों कीमोटाईका अनुमान लगा सकता है।

Equation 7(6)

स्पेसर मोटाई और खुले अनुपात, जाल खोलने, और तार व्यास सहित अन्य मापदंडों, सभी डिब्बों में स्थिर रखा जाता है । एचसी और एलसी दोनों डिब्बों ने अलग-अलग सांद्रता के साथ एक ही समाधान (एनएसीएल) का उपयोग किया। इसलिए, मापदंडों को शुरू करना आसान है, और सैद्धांतिक पंपिंग हानि समीकरण 723द्वारा दी जा सकती है।

Equation 8(7)

कहां, ए एम2 में सक्रिय झिल्ली क्षेत्र है और एम3 एस-1में क्यू फीड समाधान प्रवाह दरहै। यहां, μ पानी की चिपचिपाहट है जो पांस में मापा जाता है, एल सीएम द्वारा दी गई झिल्ली की लंबाई है, और टीआरई दूसरे में निवास का समय है।

लाल ढेर का प्रदर्शन
रेड स्टैक के आउटपुट परफॉर्मेंस की जांच 100 एमएलमिन-1की एक निश्चित प्रवाह दर पर एक सेल जोड़ी का उपयोग करके की गई थी। फ़ीड समाधान की एकाग्रता को उच्च एकाग्रता (0.6 मीटर) और एनएसीएल नमक से तैयार कम एकाग्रता (0.01 मीटर) के लिए भी तय किया गया था। यह देखा गया है कि अधिकतम विद्युत घनत्व 100 एमएल न्यूनतम-1 पर 0.69 डब्ल्यू एम-2है और नेट पावर घनत्व 0.66 डब्ल्यू एम-2 है जैसा कि चित्र 6में प्रस्तुत किया गया है। उच्च प्रवाह दर और उच्च आयन-विनिमय क्षमता बेहतर सेल प्रदर्शन प्राप्त करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है क्योंकि आयनों का परिवहन उच्च प्रवाह दर पर अधिक सक्रिय होता है। दूसरी ओर, यह इंटरफ़ेस पर प्रसार-सीमा-परत प्रतिरोध को कम करता है। नमक एकाग्रता के लवणता ढाल में अंतर ओपन सर्किट वोल्टेज को जन्म देता है, जैसा कि चित्र 6में दर्शाया गया है। यह वोल्टेज लाल स्टैक और अन्य मापदंडों के आंतरिक प्रतिरोध पर निर्भर करता है। यह ध्यान दिया जाता है कि जैसे-जैसे वर्तमान घनत्व बढ़ता है, वोल्टेज शुरू हो जाता है जबकि, शुरू में सेल का विद्युत घनत्व एक निश्चित वर्तमान घनत्व मूल्य पर मैक्सिमा प्राप्त करता है और फिर नीचे गिरता है। बिजली घनत्व में यह कमी स्टैक के आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि के कारण है, जैसा कि चित्र 6में दिखाया गया है।

Figure 6
चित्र 6:रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस डिवाइस का आउटपुट प्रदर्शन: (क)अलग-अलग वर्तमान के साथ आउटपुट वोल्टेज की भिन्नता, और लाल स्टैक के अलग-अलग वर्तमान घनत्व के साथ(ख)शुद्ध शक्ति घनत्व। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

लाल के काम करने के सिद्धांत में मुख्य रूप से झिल्ली के भौतिक रसायन गुणों का प्रभुत्व है, जो लाल प्रणाली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है, जैसा कि चित्र 3में दर्शाया गया है। यहां, हम उच्च प्रदर्शन वाले लाल प्रणाली को वितरित करने के लिए झिल्ली की मौलिक विशेषताओं का वर्णन करते हैं। झिल्ली की विशिष्ट आयन पारियक्षाता इसे अपने बहुलक नैनोचैनल के माध्यम से एक प्रकार के आयनों को पारित करती है। जैसा कि नाम से पता चलता है, सीईएम एक तरफ से दूसरी तरफ से पास कर सकता है और एनियन को प्रतिबंधित कर सकता है, जबकि एईएम एनियन पारित कर सकता है और cation को प्रतिबंधित कर सकता है । जैसा कि चित्र 2में दिखाया गया है, सभी झिल्ली को लाल स्टैक आकार में आकार दिया गया था जिसमें प्रवाह समाधान के लिए इनलेट और आउटलेट मार्ग शामिल थे। झिल्ली के माध्यम से आदान-प्रदान की गई आयन की मात्रा सीधे झिल्ली की चालकता के आनुपातिक है और इसलिए, स्टैक24का बिजली उत्पादन। आयन-विनिमय झिल्ली में आयनों का आंदोलन डोनन अपवर्जन सिद्धांत25पर काम करता है। पॉलीमर बैकबोन से जुड़ा चार्ज ग्रुप समाधान में मौजूद उसी चार्ज को पीछे छोड़ देता है। इस प्रकार, अधिक चार्ज घनत्व प्रतिकर्षण होगा, जो आमतौर पर पर्म चयनशीलता पर निर्भर करता है। आम तौर पर, लाल कोशिकाओं में, आयनों का आंदोलन उच्च एकाग्रता से समाधान की कम एकाग्रता तक झिल्ली के माध्यम से होता है। झिल्ली के माध्यम से एक डिब्बे से दूसरे में यह आयन परिवहन एक ओपन सर्किट वोल्टेज और वर्तमान मूल्य देता है, जिसका उपयोग सेल26के शुद्ध बिजली उत्पादन की गणना करने के लिए किया जाता है।

रेड स्टैक का प्रदर्शन मुख्य रूप से आयन विनिमय क्षमता और सीईएम-और एईएम-आधारित झिल्ली27की सूजन घनत्व पर निर्भर करता है । यह देखा गया है कि सीईएम और एईएम की आयन-विनिमय क्षमता जितनी अधिक होगी, चालकता उतनी ही बेहतर है। हालांकि, झिल्ली की उच्च आयन-विनिमय क्षमता उच्च सूजन की ओर ले जाती है, आसानी से झिल्ली की यांत्रिक शक्ति को खराब कर देता है। इस प्रकार, बेहतर और विश्वसनीय कोशिका प्रदर्शन के लिए सूजन घनत्व और झिल्ली की चालकता को अनुकूलित करना आवश्यक है। दूसरी ओर, दोनों डिब्बों में फ़ीड समाधान के प्रवाह के कार्य के साथ स्टैक प्रतिरोध को अनुकूलित करना भी महत्वपूर्ण है। जैसे-जैसे फ्लो रेट बढ़ता है, स्टैक रेजिस्टेंस घटता जाता है, और आउटपुट सेल परफॉर्मेंस बढ़ जाती है। सैद्धांतिक रूप से, लाल स्टैक प्रतिरोध समीकरण 8 द्वारा दिया जाता है।

Equation 9(8)

एन कोशिका जोड़े (एनियन-और आयन-एक्सचेंज झिल्ली की वैकल्पिक व्यवस्था) की संख्या है, ए दोनों झिल्ली (एम2)का प्रभावी क्षेत्र है, आरए एनियन एक्सचेंज झिल्ली प्रतिरोध (Ω एम2)है, आरसी आयन विनिमय झिल्ली प्रतिरोध (Ω एम2)है, डीसी है केंद्रित समाधान (एम) के साथ डिब्बे की मोटाई, केसी इसकी आयनिक चालकता (एस एम-1) है,डी डी पतला समाधान (एम) के साथ डिब्बे की मोटाई है, केडी इसकी आयनिक चालकता (एसएम-1)है, और आरई इलेक्ट्रोड प्रतिरोध (Ω) है। स्टैक प्रतिरोध को कम करना शुद्ध उत्पादन शक्ति को बढ़ाने के लिए एक आवश्यक कारक है, लेकिन अन्य कारक सेल प्रदर्शन28को भी प्रभावित करते हैं, जिस पर भी विचार करने की आवश्यकता है। स्पेसर छाया प्रभाव, फ़ीड समाधान का प्रवाह, डिब्बे की चौड़ाई, और फ़ीड समाधान की एकाग्रता, लाल कोशिका का योजनाबद्ध चित्रण चित्र 5में प्रस्तुत किया गया है।

लाल कोशिकाओं में, झिल्ली एक सीमित कारक के रूप में काम करती है और एक स्थिर उच्च संचालन झिल्ली की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, सीईएम और एईएम दोनों के पास तुलनीय आयन-संचालन गुणों की आवश्यकता होती है ताकि सेल एक कुशल और अनुकूलित बिजली उत्पादन का उत्पादन कर सके। विश्वसनीय लाल प्रदर्शन के लिए आयन-विनिमय क्षमता और नमक संचय के क्षरण को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए। उपन्यास झिल्ली सामग्री और अत्याधुनिक डिवाइस आर्किटेक्चर आने वाले भविष्य में सेल प्रदर्शन में और सुधार कर सकता है और भविष्य की अनुसंधान दिशा के लिए एक मार्ग प्रशस्त करेगा।

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Disclosures

लेखक हितों के टकराव की घोषणा नहीं करते हैं ।

Acknowledgments

इस काम को कोरिया सरकार (एमईएसटी) (नहीं) द्वारा वित्त पोषित नेशनल रिसर्च फाउंडेशन ऑफ कोरिया (एनआरएफ) अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था । एनआरएफ-2017R1A2A2A05001329) । पांडुलिपि के लेखक सोगांग विश्वविद्यालय, सियोल, कोरिया गणराज्य के आभारी हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AEM based membrane Fumion P1810-194 Ionomer
CEM based membrane Fumion E550 Ionomer
Digital torque wrench Torqueworld WP2-030-09000251 wrench
Labview software Natiaonal Instrument - Software
Laptop LG - PC
Magnetic stirrer Lab Companion - MS-17BB
N, N-Dimethylacetamide Sigma aldrich 271012 Chemical
N-Methyl-2- pyrrolidone Daejung 872-50-4 Chemical
Peristaltic pump EMS tech Inc - EMP 2000W
Potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate Sigma aldrich P3289 Chemical
Potassium hexacyanoferrate(III) Sigma aldrich 244023 Chemical
Pressure Gauge Swagelok - Guage
Reverse electrodialysis setup fabricated in lab - Device
RO system pure water KOTITI - Water
Rotary evaporator Hitachi YEFO-KTPM Induction motor
Sodium Chloride Sigma aldrich S9888 Chemical
Sodium Hydroxide Merk 1310-73-2 Chemical
Source meter Keithley - 2410
Spacer Nitex, SEFAR 06-250/34 Spacer
Sulfuric acid Daejung 7664-93-9 Chemical
Tube Masterflex tube 96410-25 Rubber tube

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References

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इंजीनियरिंग अंक 173 झिल्ली रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस चालकता वर्तमान घनत्व बिजली घनत्व
रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस डिवाइस के निर्माण के लिए आयन-एक्सचेंज झिल्ली
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Singh, R., Hong, S. H., Kim, D.… More

Singh, R., Hong, S. H., Kim, D. Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device. J. Vis. Exp. (173), e62309, doi:10.3791/62309 (2021).

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